氮雜環(huán)卡賓有機催化合成農(nóng)藥活性手性分子

陳金利，金智超

(貴州大學綠色農(nóng)藥全國重點實驗室，貴陽 550025)

手性農(nóng)藥是綠色農(nóng)藥的重要組成部分。高效的單一構(gòu)型手性農(nóng)藥應(yīng)用不僅有效控制了低效或有害藥物向自然界的投放，還節(jié)省了一半以上的原材料，已成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要手段。手性農(nóng)藥的對映異構(gòu)體在生物體內(nèi)常表現(xiàn)出不同的效果，大多手性農(nóng)藥的生物活性主要來自其單一異構(gòu)體。例如，吡氟氯禾靈(haloxyfop-methyl)的R異構(gòu)體表現(xiàn)出較S異構(gòu)體更高除草活性，甲霜靈(metalaxyl)的R異構(gòu)體殺菌活性比S異構(gòu)體高20~30 倍(圖1)[1]。然而，目前很多手性農(nóng)藥仍以外消旋體形式使用。隨著手性合成技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高活性光學純異構(gòu)體手性農(nóng)藥得到高效制備，并作為新型商品農(nóng)藥應(yīng)用。

圖1 吡氟氯禾靈和甲霜靈

氮雜環(huán)卡賓(N-heterocyclic carbene，NHC)作為一類具備多種催化活化模式的有機小分子催化劑[2]，能有效地實現(xiàn)羰基類(如醛、酯、酸酐、酰鹵等)和亞胺類化合物的新型活化，完成C-C、C-S、C-N 等化學鍵的高效構(gòu)建，實現(xiàn)立體選擇性合成[3]。其參與催化的反應(yīng)具備條件溫和、易于操作和簡單高效等優(yōu)點。基于相關(guān)綜述[4]，本文重點總結(jié)了近一年來氮雜環(huán)卡賓催化不對稱合成方法在手性農(nóng)藥合成中的應(yīng)用，主要包含以下3 個方面：⑴氮雜卡賓催化不對稱合成抗細菌劑；⑵氮雜卡賓催化不對稱合成抗真菌劑；⑶氮雜卡賓催化不對稱合成抗病毒劑。

1 氮雜卡賓催化不對稱合成抗細菌劑

許多有機分子和金屬化合物已被廣泛用于治療各種植物的真菌和/或細菌感染[5]。然而，隨著病原菌抗性發(fā)展，已有藥劑所能達到的防治效果越來越有限。因此，尋找新型高效藥劑防治農(nóng)作物細菌性病害迫在眉睫。

嗎啉片段在許多商品農(nóng)藥和天然產(chǎn)物中廣泛存在[6]。多環(huán)結(jié)構(gòu)嗎啉化合物的高效合成引起了研究者廣泛興趣。Ji 等[7]報道了氮雜環(huán)卡賓對醛基的選擇性氧化活化方法，用于多環(huán)芳香醛與靛紅衍生物[12+2]環(huán)化反應(yīng)，并合成了一系列具有潛在生物活性的多元螺環(huán)吲哚衍生物(圖2)，優(yōu)化條件下產(chǎn)率達79%，er 值達91∶9、dr 值>20∶1，且底物適用性廣，放大效應(yīng)良好，反應(yīng)放大10 倍時，產(chǎn)率仍高達86%，er 值仍達91∶9。抗菌活性測試結(jié)果表明，部分化合物的生物活性優(yōu)于殺菌劑葉枯唑(BT)和噻菌銅(TC)(表1)。

表1 手性吲哚類衍生物抗病菌活性

圖2 NHC 催化多環(huán)芳香醛與吲哚衍生物[12+2]反應(yīng)

硫雜環(huán)廣泛存在于醫(yī)藥、農(nóng)藥和天然產(chǎn)物中[8]。構(gòu)建硫雜環(huán)骨架化合物一直是醫(yī)藥和農(nóng)藥合成等領(lǐng)域的研究熱點。NHC 作為一種新型、高效有機小分子催化工具，為構(gòu)建硫雜環(huán)類化合物提供了相關(guān)策略、方法。Wu 等[9]采用NHC 作為催化劑，催化了溴代肉桂醛與另一底物2,2'-二硫代二苯甲醛的反應(yīng)。在還原劑三苯基膦(PPh3)和水存在下，實現(xiàn)了二硫鍵的原位持續(xù)還原，成功抑制了相關(guān)副反應(yīng)，促成硫酚以緩慢速度生成，并參與到催化反應(yīng)中，最終得到目標分子，并通過底物擴展，共合成了35 個手性苯并噻喃衍生物，產(chǎn)率良好、光學純度高(圖3)。其抗細菌生物活性測試初步結(jié)果表明，12 個手性苯并噻喃衍生物離體抗柑橘潰瘍活性優(yōu)于噻菌酮，其中化合物6a 和6b 在100 μg/mL 抑制率高于80%(表2)。

表2 手性苯并噻喃類衍生物抗柑橘潰瘍病菌活性

圖3 手性苯并噻喃類衍生物

呋喃并[2,3-b]吡咯骨架手性化合物在天然產(chǎn)物和藥物中廣泛存在[10]，其高效不對稱合成一直是研究熱點。Fan 等[11]通過研究NHC 催化劑和反應(yīng)底物的氧化還原性能，建立了一種不對稱烯二醛化學選擇性控制反應(yīng)。手性NHC 催化下，不對稱烯二醛分子通過2 種Breslow 中間體的氧化還原性質(zhì)差異，實現(xiàn)了立體選擇性高效氧化，合成得到一系列光學純呋喃并[2,3-b]吡咯功能分子(圖4)。抗菌活性測試結(jié)果表明，化合物9a、9b 和9c 在220μM/L 對柑橘潰瘍病菌抑制率分別為95.81%、97.42%和90.48%，優(yōu)于噻菌酮和葉枯唑；衍生物10、11 和12 也顯示出良好抗菌活性(表3)。

表3 手性呋喃[2,3-b]吡咯類衍生物抗柑橘潰瘍病菌活性

圖4 手性呋喃[2,3-b]吡咯類衍生物

2 氮雜卡賓催化不對稱合成抗真菌劑

吡唑[3,4-b]吡啶酮類化合物殺蟲和抗病毒活性卓越，并已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和農(nóng)藥研發(fā)領(lǐng)域[12]，發(fā)展高效立體選擇合成吡唑[3,4-b]吡啶酮衍生物十分必要。通過NHC 能夠?qū)崿F(xiàn)獨特的催化活化模式和多種反應(yīng)類型，如通過NHC 催化的LUMO 活化途徑，實現(xiàn)了α-溴代肉桂醛與不同雙親核體的不對稱[3+3]、[3+2]或[3+4]環(huán)化反應(yīng)[13]。但未能成功實現(xiàn)吡唑[3,4-b]吡啶酮衍生物的立體選擇合成。

Nie 等[14]基于NHC 催化，實現(xiàn)了α-溴代肉桂醛與5-氨基吡唑衍生物的[3+3]環(huán)化，合成了手性吡唑并[3,4-b]吡啶酮功能性分子(圖5)，產(chǎn)率和對映選擇性分別達到99%和98%。初步抗真菌活性測試結(jié)果(表4、表5)表明，化合物(R)-15a 和(R)-15b 對辣椒疫霉病菌EC50分別為3.54、5.53μg/mL，優(yōu)于嘧菌酯EC50(29.81μg/mL)；化合物(R)-15c 表現(xiàn)出較好抗辣椒炭疽菌活性，其EC50為5.23μg/mL，優(yōu)于嘧菌酯EC50(25.58μg/mL)。

表4 手性吡唑[3,4-b]吡啶酮類衍生物的抗真菌活性

表5 手性吡唑[3,4-b]吡啶酮類衍生物對真菌的EC50值

圖5 手性吡唑[3,4-b]吡啶酮類衍生物

3 氮雜卡賓催化不對稱合成抗病毒劑

馬鈴薯Y 病毒(PVY)是5 種重要植物病毒之一，能對茄科植物造成嚴重損害，全球每年經(jīng)濟損失可高達數(shù)10 億美元[15]。PVY 還可以通過多種方式廣泛傳播，是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最難控制的植物病原體之一[16]。煙草花葉病毒(TMV)是一種RNA 病毒，寄主廣泛，包括65 個科、885 多種植物，因此被稱為植物癌癥[17]。TMV 是一種全身性的植物病毒性病原體，目前尚無有效方法保護植物免遭TMV 損害。隨著病原菌抗性發(fā)展，常規(guī)方法很難找到防治PVY和TMV 病毒高效藥劑[18]。因此，開發(fā)PVY 和TMV高效手性抗病毒劑非常重要和緊迫。

多功能脲唑衍生物對抗病原菌(真菌、細菌和病毒)生物活性良好[19]。筆者團隊基于NHC 催化，實現(xiàn)了炔醛與脲唑的[3+2]環(huán)化，合成得到了一系列軸手性脲唑衍生物(圖6)。其抗PVY 生物活性系統(tǒng)測試結(jié)果(表6、表7)表明，化合物18a、18b 和18c的R異構(gòu)體抗PVY 治療活性優(yōu)于其S異構(gòu)體，優(yōu)于寧南霉素。機制研究表明，其軸手性構(gòu)型通過作用于外殼蛋白分子，增強防御酶活性。分子對接結(jié)果也表明，其R異構(gòu)體與PVY 外殼蛋白氨基酸結(jié)合位點多于其S異構(gòu)體[20]。

表6 軸手性脲唑類衍生物抗馬鈴薯Y 病毒活性

表7 軸手性脲唑類衍生物對馬鈴薯Y 病毒的EC50值

圖6 軸手性脲唑類衍生物的合成

核苷類似物在各種疾病治療中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[21]。例如，利巴韋林是一種經(jīng)典的廣譜抗病毒藥物，已被廣泛用于臨床治療慢性丙型肝炎、流感、呼吸道合胞病毒和單純皰疹病毒引起的感染[22]。核苷分子的羥基基團是一種開發(fā)有效核苷前藥的最成功策略，核苷分子包含多個羥基和其他親核反應(yīng)基團，為了實現(xiàn)特定羥基單元的功能化，通常需要進行保護和去保護。選擇廣譜抗病毒分子利巴韋林作為代表性核苷模型分子，在無保護操作下，通過NHC 催化，實現(xiàn)了C5或C3羥基與芳醛選擇性酰化(圖7)，生物活性研究顯示，酰化有利于利巴韋林抗煙草花葉病毒和抗馬鈴薯Y 病毒(表8)[23]。

表8 利巴韋林衍生物抗病毒活性

圖7 利巴韋林衍生物的酰化

4 總結(jié)與展望

高效的單一構(gòu)型手性農(nóng)藥在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中扮演著重要角色，基于手性NHC 催化劑，通過建立溫和的催化體系，可以實現(xiàn)多種手性農(nóng)藥高效體的制備。基于NHC 催化為代表的多種不對稱催化合成方法的創(chuàng)新與發(fā)展，有望加速外消旋體農(nóng)藥被其高效單一構(gòu)型體替代，從而實現(xiàn)農(nóng)作物病害的綠色高效防控。